Нова нискотемпературна горивна ћелија могла би да трансформише енергију водоника
Како глобална потражња за енергијом наставља да расте, истраживачи, лидери у индустрији, владе и друге заинтересоване стране раде заједно на истраживању нових начина производње енергије. Овај напор је постао још хитнији како се свет суочава са климатском кризом и тражи алтернативе фосилним горивима.
Једна технологија која привлачи значајну пажњу је горивна ћелија са чврстим оксидом или СОФЦ. За разлику од батерија, које ослобађају ускладиштену хемијску енергију, ове горивне ћелије претварају хемијска горива директно у електричну енергију и настављају да генеришу енергију све док је гориво доступно. Многи људи су већ упознати са водоничним горивним ћелијама, које користе гас водоник за производњу струје и воде.
Зашто су високе радне температуре велики изазов
Иако су СОФЦ-и познати по својој високој ефикасности и дугом радном веку, они имају озбиљно ограничење: потребне су им екстремно високе температуре од око 700-800°Ц да би правилно функционисале. Постизање и одржавање ових температура захтева специјализоване материјале који могу да издрже интензивну топлоту, што чини системе скупим.
Истраживачи са Универзитета Кјушу, извјештавајући у Натуре Материалс, сада кажу да су развили СОФЦ који ефикасно ради на само 300°Ц. Према тиму, овај пробој би могао у великој мери смањити трошкове, подржати стварање нискотемпературних СОФЦ-а и убрзати њихову употребу у стварном свету.
Кључна улога електролита у перформансама горивих ћелија
У сржи сваког СОФЦ-а је компонента која се зове електролит, керамички слој који помера наелектрисане честице између електрода горивне ћелије. У водоничним горивним ћелијама, овај слој носи водоникове јоне (познате као протони), омогућавајући ћелији да производи електричну енергију. Међутим, електролиту су обично потребне изузетно високе температуре да би се ови протони кретали довољно брзо за ефикасан рад.
„Спуштање радне температуре на 300°Ц смањило би материјалне трошкове и отворило врата системима на нивоу потрошача“, каже професор Јошихиро Јамазаки са Платформе интер-/трансдисциплинарних енергетских истраживања Универзитета Кјушу, који је руководио студијом. „Међутим, ниједна позната керамика није могла да носи довољно протона тако брзо у тако ‘топлим’ условима. Дакле, кренули смо да разбијемо то уско грло.“
Решавање проблема са допантом у кристалним решеткама
Електролити се граде од атома распоређених у кристалну решетку. Протони се крећу кроз празнине између ових атома. Научници су провели године тестирајући различите материјале и хемијске додатке – супстанце које модификују својства материјала – у нади да ће повећати брзину кретања протона кроз решетку.
„Али ово такође долази са изазовом“, објашњава Јамазаки. „Додавање хемијских додатака може повећати број мобилних протона који пролазе кроз електролит, али обично зачепљује кристалну решетку, успоравајући протоне. Тражили смо кристале оксида који би могли да угошћују многе протоне и да их пусте да се слободно крећу – равнотежу коју је наша нова студија коначно успоставила.“
Пробој на 300°Ц коришћењем БаСнО3 и БаТиО3 допираног Сц
Тим је открио да су два оксида, баријум станат (БаСнО3) и баријум титанат (БаТиО3), када је допиран високим нивоима скандијума (Сц), достигао је циљну протонску проводљивост од више од 0,01 С/цм на 300 ° Ц. Ова проводљивост је слична оној коју данашњи СОФЦ електролити постижу на 600-700°Ц.
„Структурна анализа и симулације молекуларне динамике откриле су да атоми Сц повезују своје околне кисеонике да формирају „СцО6 аутопута,’ дуж којег протони путују са необично ниском миграционом баријером. Овај пут је и широк и тихо вибрира, што спречава хватање протона које иначе погађа јако допиране оксиде“, каже Јамазаки. „Подаци о динамици решетке даље откривају да БаСнО3 и БаТиО3 су суштински ‘мекши’ од конвенционалних СОФЦ материјала, омогућавајући им да апсорбују много више Сц него што се раније претпостављало.“
Отварање врата приступачним нискотемпературним горивим ћелијама
Ови резултати поништавају дугогодишњи компромис између додавања више додатака и одржавања брзог кретања јона, пружајући обећавајући пут ка приступачним СОФЦ-има средње температуре.
„Осим горивних ћелија, исти принцип се може применити на друге технологије, као што су електролизе на ниским температурама, водоничне пумпе и реактори који претварају ЦО.2 у вредне хемикалије, чиме се умножава утицај декарбонизације. Наш рад трансформише дугогодишњи научни парадокс у практично решење, приближавајући приступачну енергију водоника свакодневном животу“, закључује Јамазаки.
